Создание гармонических сигналов
Создание гармонических сигналов
Увы, для создания даже гармонического электрического колебания недостаточно иметь простейший колеблющийся объект -например, струну или камертон. Электрические колебания создают специальные электронные устройства - генераторы гармонических колебаний. Они могут быть самого различного типа - например, RC-генераторы, LC-генераторы, кварцевые генераторы и др.
Не вникая в тонкости построения схем этих генераторов (таких схем многие тысячи), отметим, что они строятся на основе усилительных каскадов, охваченных обратной связью. Так называется передача части энергии с выхода усилителя на его вход. Обратная связь может быть положительной или отрицательной. Положительной обратная связь будет, если фаза возвращаемого с выхода сигнала совпадает с фазой входного сигнала. При этом сигнал на входе возрастает, что можно трактовать как возрастание коэффициента усиления. Баланс фаз как раз и означает, что на частоте генерации обратная связь положительна. Нетрудно сообразить, что если фаза возвращаемого сигнала противоположна фазе входного сигнала, то в целом сигнал на входе будет ослабляться, что означает уменьшение коэффициента усиления. Есть и комплексная обратная связь — например, на частотах, отличных от генерируемой генератором.
Для возникновения автоколебаний на частоте генерации должны выполняться одновременно два условия:
- условие баланса амплитуд
- условие баланса фаз
Согласно условию баланса амплитуд, при некоторой амплитуде сигнала на выходе усилителя петлевой коэффициент усиления должен быть равен 1. А согласно условию баланса фаз, суммарный фазовый сдвиг усилителя и цепи обратной связи должен быть равен 0 или кратен 2л. Чтобы эти условия создавались на одной частоте, в генераторы вводятся (в усилитель или в цепь обратной связи) частотно-зависимые цепи - например, RC-цепи в RC-генераторах или LC-контуры в LC-генераторах. Изменением их параметров достигается перестройка частоты генераторов.
На высоких частотах наибольшее распространение получили LC-автогенераторы синусоидальных колебаний. Основа генератора - LC-контур. Он хорошо известен еще из школьного курса физики. При любом внешнем воздействии (например, в момент подключения питания) в контуре возникают гармонические колебания. При этом энергия конденсатора периодически, переходит к индуктивности и наоборот. В идеальном контуре (г=0) это приводит к протеканию в нем синусоидального тока с указанной частотой (а на контуре действует синусоидальное напряжение с этой же частотой). Для перестройки частоты колебаний (обычно не более чем в 3 - 4 раза) используют конденсаторы переменной емкости, а дискретное изменение частоты достигают сменой катушек индуктивности с помощью переключателя.
Сами по себе эти колебания в реальном контуре затухают, поскольку в нем имеется сопротивление потерь контура г, рассеивающее энергию колебаний. Однако обратная связь обеспечивает ввод в контур энергии, что обеспечивает ее восполнение и рост амплитуды возникших колебаний. Разумеется, такая обратная связь должна быть положительной. У LC-генератора на частоте колебаний должны соблюдаться условия баланса фаз и амплитуд на частоте генерации .Самую низкую нестабильность частоты колебаний (до 0,0001% и ниже) имеют кварцевые генераторы - в них используется возникновение колебаний в кварцевой пластине с металлическими обкладками, имеющей пьезоэлектрические свойства. Под действием напряжения переменного тока на обкладках пластины она начинает колебаться. Пластина уподобляется при этом LC-контуру с очень узкой (из-за механического резонанса пластины) АЧХ.